Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сельскохозяйственная радиология. Учебное пособие
.pdf
для позитронного распада. Ядро обычно захватывает
электрон с ближайшего слоя (К-слоя, а иногда – L-слоя),
и протон, соединившись с электроном, даёт нейтрон, при
этом испускается нейтрино: P + e- → n + ν. В этом случае получается элемент, как и в случае позитронного распада: AX → AY + ν. На освободившееся в К-слое место
перескакивает электрон с L-слоя, на его место – с М-слоя
и т. д. Каждый переход электрона связан с высвобождением энергии, которая высвечивается в виде квантов
рентгеновского излучения.
2.6. Гамма-лучи
Гамма-лучи представляют собой поток γ-квантов,
т. е. коротковолнового электромагнитного излучения,
испускаемого возбуждёнными атомными ядрами. В процессе γ-излучения ядро самопроизвольно переходит из
возбуждённого состояния в менее возбуждённое, или основное. При этом избыток энергии освобождается в виде
γ-квантов. Они лишены заряда и поэтому не отклоняются
электрическим и магнитным полем. Они распространяются прямолинейно и равномерно во все стороны от источника. Гамма-излучателями являются практически все
дочерние ядра – продукты α- и β-распадов, так как они
образуются не только в основном, но и в возбуждённом
состоянии. Энергия γ-квантов после α-распада обычно не
более 0,5 МэВ, а после β-распада достигает 2–2,5 МэВ.
В среднем энергия γ-квантов различных излучателей колеблется от 0,01 МэВ (мягкие) до 3 МэВ (жёсткие). Иногда энергия γ-квантов достигает 10 МэВ. В большинстве
случаев γ-источники испускают γ-кванты различной
энергии, т. е. они редко бывают моноэнергетическими.
Величины энергий γ-квантов для каждого источника постоянны и образуют линейчатый спектр излучения.
31
Например, при распаде 60Со → 60Ni + γ (1,17 МэВ) +
γ (1,33 МэВ).
При прохождении через среду γ-кванты испыты-
вают три вида взаимодействия (все электромагнитные):
фотоэффект, эффект Комптона, процесс образования электронно-позитронных пар. Вид взаимодействия
γ-излучения с веществом определяется атомным номером
облучаемого вещества и величиной энергии γ-квантов.
Главным механизмом поглощения мягких γ-квантов
в тяжёлых веществах является фотоэффект. Умеренное
γ-излучение обычно вызывает комптоновский эффект,
а жёсткое γ-излучение, как правило, – образование электронно-позитронных пар.
Фотоэлектрический эффект заключается в поглощении энергии γ-кванта орбитальным электроном.
В основном фотоэффект идёт на К- и L-оболочках атома (при достаточной величине энергии γ-квантов), но
преимущество имеет К-электронная оболочка. Этот вид
взаимодействия γ-излучения с веществом наблюдается
в случае, когда энергия γ-кванта не превышает 0,05 МэВ,
а поглотителем служит тяжёлый элемент. В процессе
фотоэффекта вся энергия кванта передаётся одному из
электронов атома. При этом небольшая часть энергии
затрачивается на отрыв электрона от атома, а остальная,
большая часть, преобразуется в кинетическую энергию
выбиваемого электрона (фотоэлектрона), который покидает оболочку атома и на своём пути ионизирует атомы
и молекулы вещества. Образующиеся при фотоэффекте
быстрые электроны вызывают сильную ионизацию в атомах поглощающего вещества.
Эффектом Комптона называется процесс рассеяния γ-кванта на свободном электроне. При этом процессе энергия излучения поглощается или рассеивается.
32
Эффект Комптона возникает, когда поглотитель имеет
малую атомную массу, а γ-кванты – энергию, превышающую 0,05 МэВ. Такой γ-квант при столкновении с атомом
выбивает с внешней оболочки атома свободный электрон, передаёт ему часть своей энергии, становится квантом с меньшей энергией и изменяет направление своего
движения. Значит, энергия кванта распределяется между
электроном отдачи и вторичным рассеянным квантом.
При этом образовавшийся быстрый электрон ведёт себя
как при фотоэффекте. Он способен производить новую
ионизацию, а вторичный γ-квант вступает во взаимодействие с веществом путём того же комптоновского рассеяния или фотоэлектрического поглощения.
Образование электронно-позитронных пар происходит при энергии γ-квантов более 1,02 МэВ. При такой
энергии γ-квант исчезает в области ядра атома с образованием электрона и позитрона. Вся энергия кванта (hν)
полностью расходуется на образование е- + е+ и их кинетическую энергию. Позитрон, встретившись с любым
свободным или орбитальным электроном, аннигилиру-
ет (масса покоя частицы и античастицы превращается
в электромагнитное излучение), что приводит к образованию двух γ-квантов аннигиляции. Энергия массы покоя
двух частиц (е- + е+) сообщается двум γ-квантам поровну.
Вторичный γ-квант имеет энергию вдвое меньше, чем исходный γ-квант, но не менее 0,51 МэВ, так как энергетический эквивалент масс е- + е+ составляет 0,51 + 0,51 МэВ.
Аннигиляционные γ-кванты поглощаются в веществе путём комптоновского или фотоэлектрического эффекта.
При всех трёх видах взаимодействия γ-лучей с веществом образуются быстрые электроны, которые, в ко-
нечном счёте и производят возбуждение и ионизацию
атомов среды. Гамма-кванты с энергией, превышающей
33
несколько мегаэлектрон-вольт, могут выбивать протоны
из стабильных ядер, т. е. вызывать ядерные реакции.
При взаимодействии с веществом α- и β-частицы
расходуют свою энергию небольшими порциями, но
многократно, это определяет большую плотность ионизации. Гамма-кванты сразу теряют значительную часть
или же всю энергию (фотоэффект). Отсюда, плотность
ионизации γ-квантов мала и составляет 0,6 пары ионов
на 1 мм. Зато проникающая способность γ-лучей велика.
Интенсивность γ-излучения при прохождении через вещество снижается в соответствии с формулой I = I0 e
-kL
где I0 – исходная интенсивность излучения; L – слой вещества толщиной L; k – постоянная для данного вещества; е – основание натурального логарифма (2,72). Знание величины слоя полуослабления γ- лучей в различных
веществах важно для расчёта биологической защиты. Ослабление γ-излучения в поглотителе зависит от энергии
γ-кванта и массы, т. е. объёма, плотности и порядкового
номера (Z) поглотителя. В силу большой проникающей
способности γ-лучи представляют большую опасность
для живых организмов.
,
2.7. Единицы измерения радиоактивности
Радиоактивные изотопы редко встречаются в химически чистом виде и не всегда могут быть точно взвешены.
Часто приходится иметь дело с очень малыми количествами радиоактивных веществ, это затрудняет определение их
точной массы. Поэтому мерой количества радиоактивных
веществ обычно является не масса, а активность радиоизотопа. Активностью радиоактивного элемента называется
число атомных распадов, совершающихся в этом элементе
за одну секунду. Она характеризует абсолютную скорость
34
радиоактивного распада радионуклида. Активность радиоактивного элемента пропорциональна его количеству и обратно пропорциональна периоду полураспада. В международной системе СИ за единицу активности принято одно
ядерное превращение в секунду (распад в секунду). Эта
единица называется беккерель (Бк). Внесистемной единицей измерения активности является кюри (Ки). Кюри –
активность такого количества радиоактивного вещества,
в котором за 1с распадается 3,7 · 1010 ядер (3,7 · 1010 распадов в секунду, или 2,22 · 1012 распадов в минуту). Отсюда
1 Ки = 3,7 · 1010 Бк. Такой активностью обладает 1 г радия.
Вследствие того, что 1 Ки представляет очень большую активность, на практике часто применяют более мелкие единицы активности: милликюри (мКи) = 3,7 · 107 распадов
в секунду (Бк) = 10–3 Ки; микрокюри (мкКи) = 3,7 · 104 распадов в секунду (Бк) = 10–6 Ки; нанокюри (нКи) = 3,7 · 10
распадов в секунду (Бк) = 10–9 Ки; пикокюри (пКи) = 0,037
распадов в секунду (Бк) = 10
–12
Ки. Иногда применяется
ещё одна единица активности – резерфорд (рд), 1 рд = 106
распадов в секунду = 1/37000 Ки.
Концентрацией радиоактивного изотопа в любой
среде (жидкостях, газах, биологической ткани) называют количество распадов на единицу объёма или массы
(удельная активность). Единицами концентрации радиоизотопа служат: Бк/кг; Бк/м3; Ки/кг; Ки/г; Ки/л; Ки/м3
и т. д. Активность вещества, отнесённая к единице поверхности, называется поверхностной активностью,
или плотностью заражения (загрязнения), и выражается: Бк/см2; Бк/м2; Ки/м2; Ки/км2 и т. д.
35
2.8. Закон радиоактивного распада
В результате радиоактивного распада происходит
непрерывное уменьшение количества атомов радиоактивного элемента. Скорость радиоактивного распада не
зависит от количества радиоактивного вещества и воздействия внешней среды. Распад происходит под действием внутриядерных процессов. Он носит случайный
характер, в том смысле, что нельзя предвидеть, когда
и какой именно атом распадается, однако в каждую секунду распадается в среднем какая-то определённая доля
атомов. Самопроизвольное превращение ядер происходит по закону радиоактивного распада, согласно которо-
му скорость распада (т. е. число ядер, распадающихся за
единицу времени) пропорциональна количеству нераспавшихся ядер в данный момент времени: dN/dt = – λN;
dN = – λN · dt, где λ – коэффициент пропорциональности, характеризующий относительную скорость распада,
который называется постоянной распада, λ = – dN/N ×
× dt. Постоянная распада равна относительному уменьшению числа атомов в единицу времени. Чем медленнее
идёт распад, тем меньше и постоянная распада. Каждый
радиоактивный элемент имеет строго определённую
константу λ. Таким образом, величина dN/dt характеризует абсолютную скорость данного распада и называется активностью данного элемента. Решение уравнения
в пределах t от 0 до t приводит к выражению N = N0 · e
– λt
где N – число атомов элемента в существующий момент
времени t; N0 – число атомов в начальный момент времени; t – время от начала до настоящего момента, но выраженное в тех же единицах, что и период полураспада;
e – основание натурального логарифма, равное 2,71828.
Уравнение описывает процесс убывания количества
радиоактивного вещества со временем. Графически это
выражается в виде кривой распада (рис. 2.1).
,
36
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0
Т 2Т 3Т 4Т 5Т
Рис. 2.1. Кривая убывания количества радиоактивного вещества:
по оси абсцисс – время в периодах полураспада,
по оси ординат – количество вещества в долях от 1
Для характеристики скорости распада используют
понятие периода полураспада. Периодом полураспада T
называется время, в течение которого количество атомов исходного элемента уменьшается вдвое. Различные
радиоактивные элементы обладают разными Т, от долей
секунды до миллиардов лет. Чем меньше период полураспада, тем быстрее идёт распад, т. е. Т обратно пропорционально скорости распада. Если взять время t,
равное Т, то число атомов элемента в существующий момент времени будет Nt = N0/2. Отсюда N0/2 = N0 · e
Далее,1/2 = e
– λt
, или 2 = e
λt
. Получаем: ln 2 = λt · ln e. При
– λt
.
t = T получаем 0,693 = λТ, так как ln e = 1. Отсюда следует, что постоянная распада λ = 0,693/Т, а Т = 0,693/ λ.
Чем больше период полураспада, тем меньше постоянная
распада.
Вековое радиоактивное равновесие. Если в результате распада образуется дочерний изотоп с периодом полураспада (Т2) значительно меньшим, чем у материнского изотопа (Т1) и Т1 очень велико, то спустя некоторое
время устанавливается состояние равновесия. В состоянии равновесия скорость образования дочернего изотопа
и скорость его распада будут равны, а активность материнского изотопа вследствие большого периода полурас-
37
пада практически окажется неизменной. В этом случае
суммарная активность обоих изотопов – материнского и дочернего – станет величиной постоянной. Такое
равновесие называется вековым. Если, наоборот, Т1 материнского изотопа значительно меньше Т2 дочернего
изотопа, то общая активность вначале будет убывать не
по закону радиоактивного распада, а медленнее, так как
убывающая активность материнского изотопа будет компенсироваться нарастающей активностью дочернего. Через определённое время, когда материнский изотоп полностью распадётся и останется долгоживущий дочерний
изотоп, активность препарата станет убывать по закону
радиоактивного распада с периодом полураспада дочернего радиоизотопа.
Тестовые задания
1. Каков электрический заряд электрона:
а) положительный;
б) отрицательный;
в) нейтральный.
2. Чему равно число электронов в атоме:
а) числу протонов;
б) числу нейтронов;
в) числу протонов + нейтронов.
3. Каким может быть максимальное число электрон-
ных слоёв в атоме:
а) 5;
б) 7;
в) 10.
38
4. Каков электрический заряд атомного ядра:
а) положительный;
б) отрицательный;
в) нейтральный.
5. Каков электрический заряд протона:
а) положительный;
б) отрицательный;
в) нейтральный.
6. Чему соответствует порядковый номер элемента
в таблице Менделеева:
а) числу протонов в ядре;
б) числу нейтронов в ядре;
в) числу протонов + нейтронов в ядре.
7. Каков электрический заряд нейтрона:
а) положительный;
б) отрицательный;
в) нейтральный.
8. Какие силы удерживают нуклоны в ядре атома:
а) электромагнитные;
б) гравитационные;
в) ядерные.
9. Как называются атомы одного элемента, облада-
ющие различной массой:
а) изотопы;
б) изобары;
в) нуклоны.
39
10. Как называются атомы разных элементов, име-
ющих одинаковое массовое число:
а) изотопы;
б) изобары;
в) нуклоны.
11. Кем было открыто явление естественной радио-
активности:
а) Беккерелем;
б) Кюри;
в) Резерфордом.
12. Кто ввёл в научное обращение термин «радио-
активность»:
а) Беккерель;
б) Кюри;
в) Резерфорд.
13. Как правильнее называть излучение, возникаю-
щее при радиоактивном распаде ядер:
а) ионизирующее;
б) ядерное;
в) электромагнитное.
14. Как называется самопроизвольный распад ядер
атомов:
а) ядерная реакция;
б) термоядерная реакция;
в) радиоактивный распад.
15. Что составляет основу электромагнитного излу-
чения:
а) альфа-частицы;
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]